Menu

Развитие и консолидация пространственной криогенной кристаллизационной структуры

Развитие и консолидация пространственной криогенной кристаллизационной структуры за счет вымерзания жидкой фазы и метаморфизма кристаллов льда могут протекать как при постоянной температуре вследствие явлений последействия, так и при понижении температуры после образования пространственной криогенной структуры.

Установлено, что структура криогенной породы, даже при неизменных внешних условиях, с течением времени притерпевает значительные изменения: меняются размеры, форма, ориентировка оптических осей кристаллов, фазовый состав, характер распределения дефектов и т. д.

Рассмотрим, от чего зависит такая нестабильность криогенной породы. Ввиду сложного неоднородного энергетического состояния влаги в дефектных граничных межзерновых зонах пространственной криогенной структуры процесс кристаллизации или плавления льда в криогенном образовании должен носить релаксационный характер, т. е. происходить в течение достаточно длительных интервалов времени. Кроме того, при промерзании дисперсной влагонасыщенной среды возникают градиенты давления и химического потенциала вблизи фронта промерзания, которые при установлении макроизотермических условий (фиксированная температура), также будут релаксировать в течение определенного времени. Закон релаксации, по-видимому, близок к экспоненциальному, поэтому для установления фазового равновесия «лед — незамерзшая вода» необходимо некоторое время, в течение которого продолжается фазовый переход . и изменение структуры и состава уже образовавшегося льда. Протекание таких процессов обусловлено необходимостью минимизации поверхностной и свободной энергии при переходе системы к равновесному состоянию. Эти процессы хотя детально не изучены, однако экспериментами установлена необходимость выдерживания образцов мерзлых пород при фиксированной температуре в течение некоторого времени [58, 85, 90, 99, 106, 114 и др.] для достижения хотя бы квазйравновесного состояния. Время выдерживания образцов зависит как от состава и степени дисперсности породы, так .и от температуры и меняется в среднем от нескольких часов до многих суток. Другим примером, подтверждающим релаксационный характер процесса промерзания грунта, является временной эффект последействия температурных деформаций и напряжений в мерзлых грунтах (И. Н. Вотяков, С. Е. Гречищев) [85].

Изучены также структурные и -фазовые изменения льдов и некоторых мерзлых грунтов, происходящие в процессе их деформирования при фиксированной температуре, т. е. изменения криогенных пород в процессе ползучести — работы С. С. Вялова и др. [15, 58, 85 и др.].

При понижении температуры после образования криогенной кристаллической структуры происходит значительно более интенсивное ее дальнейшее развитие. Так, для ледяных покровов акваторий и крупных ледяных образований у поверхностей твердых тел на этой стадии начинается и протекает процесс орто-тропного роста льда, когда структура льда меняется в соответствии с законами геометрического отбора (т. е. с учетом влияния анизотропии скоростей роста кристаллов) [11, 70]. Вследствие этого , основными структурно-контролирующими факторами становятся условия тепло-массообмена у фронта промерзания. Как правило, лед, образующийся на этой стадии, является крупнозернистым, имеет столбчатую или удлиненно-призматическую структуру с преимущественной ориентировкой оптических осей кристаллов параллельно фронту промерзания. Содержание жидкой фазы в поликристаллической криогенной породе с понижением температуры уменьшается, в связи с чем ее пространственная кристаллическая криогенная структура консолидируется.

При развитии пространственной криогенной кристаллической структуры соленых и морских льдов имеют место сложные физико-химические процессы. В зависимости от солевого состава рассола и эвтектических температур соответствующих солей при понижении температуры,-помимо вымерзания воды и укрупнения пространственной «ледяной сетки», происходит образование нового компонента твердой фазы криогенной породы — выпадение из рассола кристаллогидратов соответствующих солей. Это приводит к дополнительному укреплению пространственной структуры, в связи с чем температурные зависимости, например, зависимости физико-механических свойств «соленых», морских и пресных льдов оказываются различными по характеру [55, 74, 95, 131]. Детальное описание структур, текстур и генезиса различных ледяных образований изложено в работах [55, 68, ПО, 131].

Остановимся подробнее на изменениях, происходящих при понижении температуры мерзлых дисперсных пород.

  • Влажная песчано-глинистая порода при замерзании имеет сложную пространственную кристаллизационную структуру, которая содержит, по-видимому, все типы контактов, выделяемых в дисперсных структурах П. А. Ребиндером [60]:
  • коагуляционный, т. е. через жидкую прослойку;
  • точечный, возникающий при обезвоживании контакта между частицами твердой фазы;
  • фазовый, возникающий в результате прорастания, перекристаллизации, спекания и т. п.

В процессе промерзания породы, т. е. перехода в твердую фазу все большей части поровой влаги, образующаяся пространственная кристаллизационная структура претерпевает существенные изменения, связанные с перераспределением влияния контактов различного типа. Монолитность структуры в этом случае возрастает вследствие уменьшения открытой пористости, сжимаемости пор, а также толщины жидких прослоек между частицами породы не только из-за увеличения площади поверхности контактов твердой фазы, но и уменьшения концентрации ослабляющих дефектов структуры. Процессы упрочнения и мо-нолитизации мерзлой породы, характеризующие изменение поверхностной энергии ее структуры, должны существенно зависеть от режима промораживания и температуры охлаждения.

Следует еще раз отметить, что весьма существенную роль при формировании криогенной пространственной структуры мерзлой породы играет характер начальной ее влажности — полное или частичное влагонасыщение (заполнение) пор. При полном влагонасыщении дисперсной породы она после замерзания и в процессе дальнейшего промораживания (оттаивания) остается сплошной равномерной поликристаллической средой (в случае массивной криогенной текстуры) с граничными межзерновыми зонами, представляющими дефекты в пространственной структуре. При неполном начальном влагонасыщении образуется мерзлая порода, представляющая собой пористую кристаллическую газонасыщенную среду, у которой сжимаемость пор зависит от температуры. Важное значение при формировании криогенной породы имеет и режим замораживания (скорость охлаждения, температура замораживания, характер отвода тепла). Пространственная криогенная структура в процессе ее развития и консолидации при быстром охлаждении приходит в неоднородное напряженно-деформированное состояние за счет значительного различия в коэффициенте теплового расширения льда, незамерзшей воды и скелета породы.

Равномерность изменения механических свойств и распределения напряжений в пространственной структуре зависят от соотношения между режимом замерзания порового раствора и деформативно-релаксационными свойствами структуры. Если замерзание влаги опережает деформации в некоторых участках, то в структуре возникают области концентрации напряжений и, как следствие, разрывы, микротрещины, а затем и макротрещины, приводящие к сильному понижению прочности и разрушению. С позиций физико-химической механики [60], механическая прочность кристаллизационной структуры может в этом случае иметь экстремум, обусловленный напряженным состоянием и развитием «упрочняющих» микротрещин, тормозящих дальнейшее растрескивание. Это согласуется с экспериментальными данными [96]. Исследованиям вопросов термореологии и температурных деформаций мерзлых" пород посвящены работы С. Е. Гречищева, И. Н. Вотякова, Е. П. Шушериной и др. [85, 113].

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:3039 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:6071 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:3177 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Внутренние области океанов

Главными элементами рельефа и структуры внутренних областей океанов являются срединно-океанические хребты и абиссальные равнины с осложняющими их поднятиями и хребтами. Срединно-океанические хребты Срединно-океанические хребты (СОХ) расположены в пределах океанской коры над...

14-10-2010 Просмотров:5772 Геологическое картирование, структурная геология

Теодолитно-высотные и тахеометрические х…

Теодолитно-высотный ход представляет собой теодолитный ход, в котором кроме определения координат точек хода методом тригонометрического нивелирования определяют их высоты. Измерения и вычисления, выполняемые с целью определения плановых координат х, у...

13-08-2010 Просмотров:18753 Инженерная геодезия. Часть 1.

ЧАСТЬ I. ИДЕИ

ЧАСТЬ I. ИДЕИ     Глава 1. Золото прошлого   Обозрев все необходимые неорганические и органические элементы географического пейзажа, мы можем убедиться, с каким огромным количеством основных фактических единиц приходится иметь дело географу. Поэтому...

03-03-2011 Просмотров:3180 Комплексные географические характеристики